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河北工大張盼盼/紀(jì)志永教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)曲良體教授 Nano Lett.：強(qiáng)氫鍵修復(fù)且具有重構(gòu)寬排鹽通道的太陽(yáng)能蒸發(fā)器用于可持續(xù)海水曬鹽
2024-09-14  來(lái)源：高分子科技

  全球淡水資源嚴(yán)重短缺，海水淡化為解決淡水資源匱乏問(wèn)題提供了一種有效途徑。而海水淡化過(guò)程中產(chǎn)生大量濃鹽水，直接排放對(duì)海洋生物和生態(tài)環(huán)境造成巨大的危害。濃鹽水在固體鹽生產(chǎn)、氯堿化工產(chǎn)品制造以及礦物資源提取等方面有廣泛應(yīng)用。根據(jù)國(guó)際鹽業(yè)聯(lián)合會(huì)的數(shù)據(jù)，全球太陽(yáng)能海水曬鹽的產(chǎn)量在2019年創(chuàng)下了3.2億噸的歷史新高。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能海水曬鹽利用蒸發(fā)池通過(guò)持續(xù)的太陽(yáng)光照射來(lái)蒸發(fā)水分，促進(jìn)海水逐漸濃縮和固體鹽結(jié)晶。盡管以上方式具有較低的成本，但效率低下且需占用大量土地。因此，亟需提高太陽(yáng)能海水曬鹽的效率，以緩解日益緊張的能源-資源壓力。太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)技術(shù)（ISVG）具有更加高效、快速進(jìn)行海水曬鹽的潛力。但在嚴(yán)苛環(huán)境下（例如，低溫）下，光熱材料的耐用性和適用性令人擔(dān)憂(yōu)。因此，開(kāi)發(fā)同時(shí)具備可擴(kuò)展性、適應(yīng)性和耐用性的太陽(yáng)能蒸發(fā)器，以促進(jìn)高效的海水濃縮和固體鹽結(jié)晶過(guò)程，仍然是一個(gè)顯著的挑戰(zhàn)。


文章亮點(diǎn)


  近日，河北工業(yè)大學(xué)張盼盼副教授/紀(jì)志永教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)曲良體教授開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)氫鍵修復(fù)、寬溫度范圍適用、高抗鹽的石墨烯/海藻糖/聚丙烯酰胺水凝膠（PTGH）作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器用于可持續(xù)海水曬鹽（圖1）。其中，海藻糖富含羥基（–OH）可通過(guò)形成強(qiáng)氫鍵作用修復(fù)聚丙烯酰胺（PAAm）聚合物網(wǎng)絡(luò)，使得 PTGH 具有強(qiáng)韌性、可拉伸性和耐低溫性能。通過(guò)相對(duì)低溫定向冷凍鑄造工藝，精確調(diào)控PTGH 內(nèi)冰晶的生長(zhǎng)速度，重構(gòu)寬排鹽通道，加快離子快速對(duì)流/擴(kuò)散，提高太陽(yáng)能蒸發(fā)器耐鹽性能。在一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度下，PTGH 在室溫環(huán)境下水蒸發(fā)速率可達(dá)2.82 kg m–2 h–1，即使在低溫環(huán)境下（?20oC?0oC），水蒸發(fā)速率也能保持在0.92?1.34 kg m–2 h–1。在室外連續(xù)海水曬鹽過(guò)程中，PTGH 能夠持續(xù)運(yùn)行，直至原鹽水溶液高度濃縮，最終將固體鹽從水中分離出來(lái)。與傳統(tǒng)的日曬海水過(guò)程相比，可節(jié)省 66.67%?75% 的時(shí)間或土地消耗。該工作以“Hydrogen Bond Repairing Solar Evaporator with Reconstructed Large-Width Channels for Durable Solarizing Seawater”為題發(fā)表在《NANO LETTERS》上。


圖 1. PTGH 用于高效、可持續(xù)海水曬鹽示意圖


  該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了相對(duì)低溫定向冷凍鑄造工藝重構(gòu)具有寬排鹽通道的太陽(yáng)能蒸發(fā)器（圖2）。通過(guò)精確調(diào)控PTGH內(nèi)冰晶生長(zhǎng)，重構(gòu)通道的寬度可加寬至500 μm，有利于提高導(dǎo)水性能，加速鹽離子的對(duì)流/擴(kuò)散以增強(qiáng)太陽(yáng)能蒸發(fā)器的耐鹽性能。其次，海藻糖作為PAAm聚合物網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)劑，可通過(guò)強(qiáng)氫鍵作用與PAAm的長(zhǎng)聚合物鏈形成多個(gè)相互作用點(diǎn)，使其具有優(yōu)異的機(jī)械性能，包括強(qiáng)韌性和可拉伸性，并確保即使在低溫環(huán)境下也能正常運(yùn)行，增強(qiáng)PTGH作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器在各種嚴(yán)苛環(huán)境實(shí)際應(yīng)用性能。


圖2 PTGH制備流程和表征


  PTGH在太陽(yáng)光全光譜范圍內(nèi)（250?2500 nm）表現(xiàn)出99%的光吸收率。海藻糖豐富的羥基可與水分子相互作用，從而調(diào)控PTGHs內(nèi)水的狀態(tài)，降低水的蒸發(fā)焓（圖3），在室溫環(huán)境中一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度照射下，PGH和PTGHs的表面溫度穩(wěn)定在34.7?36.6 °C范圍內(nèi)。PTGH3具有最優(yōu)水蒸發(fā)率2.82 kg m–2 h–1，為純水的6.22倍。PTGH3的太陽(yáng)能利用效率高達(dá)98.5%。在連續(xù)照射120 h后，浸入水中重新膨脹，PTHG3的機(jī)械性能仍然保持良好。即使在低溫下（?20oC?20 oC），PTGH3也能表現(xiàn)出32.4%?91.5%范圍內(nèi)的太陽(yáng)能利用效率。


圖3 室溫和低溫環(huán)境下PTGHs的 ISVG 性能


  通過(guò)相對(duì)低溫定向重構(gòu)的寬排鹽通道可加速了鹽離子對(duì)流/擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)PTGH3的長(zhǎng)期耐鹽性能（圖4）。在3.5wt%鹽水中進(jìn)行連續(xù)水蒸發(fā)測(cè)試，PTGH3表現(xiàn)出2.78 kg m–2 h–1的穩(wěn)定水蒸發(fā)速率，且表面沒(méi)有明顯的鹽結(jié)晶析出。在連續(xù)使用60天（3.5 wt%鹽水，每天12 h），其水蒸發(fā)速率僅有略微下降，從 2.82 kg m–2 h–1到 2.51 kg m–2 h–1。即使在 25 wt% 的高鹽度溶液中，PTGH3 也具有出色的耐鹽性。將PTGH3 用于連續(xù)太陽(yáng)能海水曬鹽，隨著初始鹽度為 3.5 wt%海水的不斷濃縮，固體鹽顆粒首先在玻璃燒杯表面結(jié)晶，直到100%的水蒸發(fā)并且所有固體鹽晶沉淀出來(lái)，PTGH3表面也沒(méi)有明顯的固體鹽堆積。


圖4 PTGH3用于長(zhǎng)時(shí)間海水曬鹽性能


  開(kāi)發(fā)的 PTGH3 易于大規(guī)模制備，原材料成本低至 2.4218 $ m?2，能夠在不同環(huán)境下進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用（圖5）。在環(huán)境溫度為28 °C左右的夏季測(cè)試中，PTGH3的水蒸發(fā)速率略高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值，主要?dú)w因于室外高溫和風(fēng)對(duì)流促進(jìn)水蒸氣擴(kuò)散和加速水分蒸發(fā)。在冬季室外環(huán)境溫度為?5 °C?4 °C時(shí)，PTGH3經(jīng)過(guò)多次凍融后仍然能夠保持結(jié)構(gòu)完整性，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐低溫性能。


圖5 PTGH3在不同室外環(huán)境下用于長(zhǎng)時(shí)間海水曬鹽


  通過(guò)氫鍵修復(fù)和相對(duì)低溫定向重構(gòu)策略構(gòu)建的PTGH為連續(xù)太陽(yáng)能海水曬鹽提供了新的思路。PTGH展示了其對(duì)各種環(huán)境挑戰(zhàn)的適應(yīng)性和耐用性，具有優(yōu)異的水蒸發(fā)性能，可以處理高鹽度溶液用于固體鹽生產(chǎn)。傳統(tǒng)的蒸發(fā)池海水曬鹽相比，基于PTGH海水曬鹽效率高出約3?4倍，可節(jié)省 66.67%?75%的時(shí)間或土地成本。這項(xiàng)工作也同樣為高效太陽(yáng)能的利用、海水濃縮甚至固體鹽結(jié)晶領(lǐng)域提供了另一種途徑。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03179

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（責(zé)任編輯：xu）
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